DE2111409B2

DE2111409B2 - Dynamisches Schieberegister

Info

Publication number: DE2111409B2
Application number: DE2111409A
Authority: DE
Inventors: Irving Tze Poughkeepsie N.Y. Ho (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-03-11
Filing date: 1971-03-10
Publication date: 1974-10-17
Also published as: DE2111409A1; JPS5144784B1; US3676863A; DE2111409C3; GB1324136A; FR2081841A1; FR2081841B1; CA927929A

Description

Die Erfindung betrifft ein dynamisches Schieberegister mit Speicherstufen aus bipolaren Transistoren, unter Ausnutzung von vorhandenen Kapazitäten zur Zwischenspeicherung.

In bekannten Schieberegistern wird die binäre In

formation, die in dem Schieberegister gespeichert ist, durch Verschiebeünpulse, die gleichzeitig oder nacheinander allen Stufen des Schieberegisters zugeführt werden, verschoben. Die Zuführung der Verschie-

δ beiropulse erfolgt dabei entweder in einem einzigen Takt oder in zwei bzw. mehr Takten. Die Taktimpulse können dabei außerdem noch überlappt bei mehrtaktischen Schieberegistern auftreten. Jede Stufe eines derartig aufgebauten Schieberegisters, die zur

ίο Speicherung eines Bits geeignet ist, benötigt zwei Energiespeicher, da ein Speicher nicht gleichzeitig ein Bit aufnehmen und abgeben kann, ohne daß die darin enthaltene Information zerstört wird. Als Energiespeicher finden beispielsweise bistabile MultivnVato-

»5 ren, Magnetkerne oder Kurzzeitspeicher, wie Verzögerungsglieder oder schädliche Kapazitäten, Verwendung.

Um die Zwischenspeicherung der zu verschiebenden Datenimpulse zu vermeiden, wurde in der deut-

sehen Auslegeschrift 1 193 553 vorgeschlagen, daß zur Verschiebung der gesamten gespeicherten binären Information um eine Stelle die Verschiebeimpulse den Stufen nacheinander entsprechend ihrer Aufeinanderfolge, und zwar beginnend mit der in Verschiebe-

richtung vordersten Stufe zugeführt werden, wobei zur Erzeugung der VerschiebeimpuJse ein Impulsgenerator mit Verzögerungsleitung, die mehrere Abgriffe besitzt, verwendet wird.

Außerdem sind Schieberegister bekannt, die mit

Feldeffekttransistoren aufgebaut sind. So wurde z. B. vorgeschlagen, einen Speicher mit Feldeffekttransistoren aufzubauen, der dadurch charakterisiert ist, daß jede Speicherzelle drei Feldeffekttransistoren enthält, von denen die erste zur Speicherung der In-

formation mit Hilfe der Kapazität zwischen dessen Tor- und Quellenanschluß, der zweite für die Ausgabe und der dritte für die Eingabe der Informationen vorgesehen sind, wobei der Toranschluß des ersten mit dem Quellenanschluß des dritten Feldeffekttransi-

stors und der Senkenanschluß des ersten mit dem Quellenanschluß des zweiten Feldeffekttransistors verbunden sind, deren Quellenanschluß des ersten Feldeffekttransistors auf einem Bezugspotential liegt, sowie die Senkenanschlüsse des zweiten und des dritten Feldeffekttransistors an eine gemeinsame Ein- und Ausgabeleitung angeschlossen sind, und daß Steuermittel vorgesehen sind, die mit den Toranschlüssen des zweiten und des dritten Feldeffekttransistors verbunden sind. Dieser Aufbau einer Speicherzelle hat jedoch den Nachteil, daß mindestens drei Halbleiter für eine Speicherzelle benötigt werden, wodurch ein relativ großer Platz auf dem Substrat benötigt wird.

Außerdem sind noch ein- und mehrtaktische Schieberegister durch die schweizerischen Patentschriften 417 779 und 456 774 bekanntgeworden. Die darin gezeigten Speicherzellen des Schieberegisters sind insbesondere mit Feldeffekttransistoren ausgestattet und haben den Nachteil, daß sie relativ viel Platzbedarf

auf dem Substrat benötigen, wenn die Schieberegister in integrierter Technik ausgeführt werden. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schieberegister mit Speicherzellen zu schaffen, die aus bipolaren Halbleiterelementen aufgebaut sind und

H relativ wenig Platz in integrierter Technik auf dem Substrat benötigen, wobei eine sichere Verschiebung der gespeicherten Daten ohne Beeinflussung der Nachbarzellen gewährleistet sein muß.

2 ill

ÖieeriindungRgemäße Lösung der Aufgabe besteht Hn. daß die Speicherstufen aus einer ersten Speialle und einer zweiten Speicherzelle bestehen, jhei sowohl die erste als auch die zweite Speiche r-Qe aus einer Reihenschaltung eines Transistors und ^ im KoUektorkreis liegenden Diode und einer ren Kapazität zwischen dem Kollektor des ge- maien bipolaren Transistors und Masse besteht. iDurch die direkte Kopplung der einzelnen Stufen r Zellen und der Speicherzellen untereinander wird u ^e Verschiebung und Aufrechterhaltung der geeicherten Information eine sehr kleine Leistung be- ---t wodurch eine Erhöhung der Zellendichte pro jeneinheit in einem Maße erreicht wird, wie es &her nicht möglich war.

Fnie Erfindung wird nun an Hand von in den Zeichngen dargestellten Ausführungsbeispielen näher ,schrieben.
" Es zeigt

Fig. 1 eine Stufe eines Schieberegisters, Fig. IA die zum Betrieb der Speicherzelle nach pig I benötigten Impulse,

Fig. IB den Spannungverlauf in d~r Zeiteinheit fiber der parasitären Kapazität der Zelle nach Fig. 1 für beide Signalpegel, die als Eingangssignal an die Zelle gelegt werden, und

Fi g. 2 ein Schieberegister, das aus mehreren Speicherzellen nach Fig. 1 besteht.

InFig. 1 ist eine Stufe eines monolithischen dynamischen Schieberegister;, mit bipolaren Halbleiterelementen, das gepulst betrieben wird, dargestellt. Eine Stufe 10 enthält eine erste Zelle 12 und eine zweite damit verbundene Zelle 14. Die Zelle 12 besteht aus einem Regenerationsanschluß 16, an den die Regenerationsimpulse 18, wie in Fig. 1 A dargestellt, angelegt werden. Die Regenerationsimpulse 18 werden einem Ladungsweg, der aus der Diode 20, dem Schaltpunkt 22 und der parasitären Kapazität 22, die ihrerse..s mit Masse verbunden ist, das z. B. das Substrat eines integrierten Halbleiterplättchens darstellen kann, zugeführt. Ein Dateneingangs-Anschlußpunkt 26 empfängt die bipolaren Datenimpulse, dargestellt in F i g. 1 im oberen Pegel 28, und die Anschlußpurikte 30 empfangen die Torimpulse 32. Mit den Anschllußpunktcn 26, 30 und dem Schaltungspunkt 22 ist ein bipolares Halbleiterbauelement oder ein bipolarer Transistor 34 verbunden. Der Ausgang 36 ist mit dem Schaltungspunkt 22 und der Kapazität 24 verbunden und gibt Ausgangsdatensigr.ale in Abhängigkeit von am Eingang 26 stehenden Eingangssignalen ab. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die parasitäre Kapazität 24 aus dem PN-Kondensator zwischen dem Kollektor des NPN-Halbleiters 34 und dem Substrat. Die zweite Zelle 14 der in Fig. 1 dargestellten Schieberegisterstufe enthält dieselben Bauelemente wie die erste Zelle 12. Der Ausgangsanschlußpunkt 36 der Zelle 12 ist nun der Eingangsanschlußpunkt für die Zelle 14. Außerdem ist der Anschlußpunkt 40 der Ausgang für die zweite Zelle 14, der gleichzeitig damit def Ausgang für die gesamte in Fi g. 1 dargestellte Schieberegisterstufe lOist. Die Ze Ie 14 enthalt vorzugsweise einen Regenerationsanschlußpunkt 42, an den die Regenerationsimpulse 44 angelegt sind und einen TorimpulsanschluB 46, an den die Torimpulse 48, Fig. 1A, angelegt sind. Die Zelle 14 enthalt au-' · Diode 50, einen NPN-Transistor 42 und

eine parasitäre Kapazität 54, die mit dem Anschtußnunkt 40 verbunden sind. Die Dioden 20 und 50 können in monolithischer Technik als PN-Übergänge oder als Schottky-Banier-Dioden ausgeführt sein.

Ein Schieberegister, das aus mehreren Stufen 10 gemfaß Fig. 1 besteht, ist in Fig. 2 dargestellt. Die zu verschiebende Eingangsinforraation wird an den Anschlußpunkt 60 angelegt und dynamisch von Stufe zu Stufe bU zum Ausgangsanschlußpunkt 62 verschoben. Es ist selbstverständlich auch möglich, andere Zusammenschaltungen der Stufen gemäß Fig. 1 vor ■ ίο zunehmen, um andere Schieberegister oder Umlaufregster zu erhalten. So kann z. B. das Ausgangssignal am Ausgangsanschlußpunkt 62 auf den Eingang 60 als Eingangssignal zurückgekoppelt werden, wodurch ein Umlaufregister entsteht.

»5 Die Regenrationsimpulse werden der ersten Zelle einer jeden Stufe 10 über die Anschlußpunkte 64 zugeführt, wie es vorher im Zusammenhang mit den Regenerationsimpulsen 18 beschrieben wurde. Die Regenerationsimpulse für die zweite Zelle 14 einer Stufe 10 werden über den Anschlußpunkt 46 zugeführt. Die Anscfilußpunkte 68 und TO empfangen die bereits schon beschriebenen TorsigT/ale 32 und 48.

Dabei können die Impulse 18 und 32 von einer einzigen Signalquelle geliefert werden. Sn können z. B. die Anschlußpunkte 16 und 30 mit einer 2-Phasenkixhteckimpulsquelle verbunden sein. Dies hat %'or allem Vorteile in der Leitungsführung für die Anschlußpunkte 16 und 30. Selbstverständlich können auch die Impulse 18 und 32 sowohl nacheinander als überlappt dem Schieberegister zugeführt werden, was je nach gewünschtem Effekt erfolgen kann.

Im folgenden soll nun die Wirkungsweise einer Stufe 10 nach F i g. 1 und damit auch die Wirkungsweise des Schieberegisters nach Fig. 2 erklärt werden.

Zur Zeit t₀ bekommt die erste Zelle einer jeden Stufe Regenerationsimpulse 18 am Anschlußpunkt 16. Jeder Transistor der Zelle ist im Aus-Zustand und der Regenerationsimpuls 18 lädt die Kapazität 24 auf. Zur Zeit (, wird nun der Transistor 26 durch ein Datensignal 28 (Fig. 1 A) erregt. Der Transistor 34 gelangt in den Ein-Zustand und die Kapazität 24 wird dadurch entladen und geht in den Entladezustand. Dadurch wird die am Eingang anstehende Datenin-45 formation über den Transistor 34 zum Ausgangsanschlußpunkt 36 in invertierter Form übertragen.

Zum nächsten Zeitintervall f₃ gelangt an den Anschlußpunkt 42 ein Regenerationsimpuls 44, der die Kapazität 54 der zweiten Zelle 14der Stufe 10 auflädt. 5° In Abhängigkeit vom Zustand des Eingangssignals an der Basis des Transistors 52 befindet sich das Torsignal am Anschlußpunkt 46 im oberen Zustand oder in der V_RtF- Bedingung, wodurch der Transistor in den Aus-Zustand versetzt wird. Zum darauffolgen-55 den Zeitpunkt f₄ wird ein Torsional 48 an den Anschlußpunkt 46 angelegt. Wenn am Anschlußpunkl 36 der o^ere Signalpegel vorliegt, wird die Kapazität 54 über den Transistor 52 entladen. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, befindet sich im vorliegen-6o den Ausführungsbeispiet der Anschlußpunkt 36 im unteren Potentialpegel (Impuls 28 invertiert) und die Kapazität 54 wird nicht entladen, weil der Transistor 52 nicht im leitenden Zustand ist. Dadurch befindet sich auch das Potential am Ausgangsanschlußpunkt 65 40 im oberen Zustand oder Pegel.

Wie aus F i g. IA zu ersehen ist, erstrecken sich die Regenerationsimpulse 18 und 14 zwischen dem unteren Pegel und dem Wert + V. Die Torimpulse 32 und

48 erstrecken sich zwischen dem Pegel V_REF
— Vl. Die Datensignale 28 erstrecken sich vom unteren Pegel des Signals Vl bis zum oberen Pegel des Signals Vi. Im nachfolgenden werden spezifisch ausgewählte Beziehungen der einzelnen Spannungen in einer Tabelle angegeben.

vt -V Dp <lfe.

Die erste Beziehung ist erforderlich, um zu verhindern, daß der Transistor 52 der zweiten Zelle nicht eingeschaltet wird, wenn die Kapazität 24 auf den positiven Pegel aufgeladen ist. Die zweite und dritte angegebene Beziehung muß deshalb eingehalten werden, um zu verhindern, daß der Transistor 34 nichtleitend wird und die Kapazität 24 sich nicht über diesen Transistor entlädt, ohne daß das anliegende Datensignal 28 während der Tor-Periode im oberen Pegel ist.

Die Spannung V_REF kann z. B. auf 0 Volt oder in anderen Fällen mit Vorteil auf einen positiven Pegel festgelegt werden.

In Fig. IB ist ein Diagramm dargestellt, das die Spannungsbedingungen über der parasitären Kapazität zeigt und zwar beim ersten Laden durch einen Regenerationsimpuls und dann beim Entladen über einen entsprechenden zugehörigen leitenden Transistor. Diese Spannungscharakteristik existiert dann, wenn das Eingangssignal den oberen Pegel einnimmt. Nimmt dagegen das angelegte Datensignal den unteren Pegel ein, dann befindet sich der entsprechende Transistor in dem nichtleitenden Zustand und die Spannung über der parasitären Kapazität wird dann

»° langsam abgesenkt, wie es durch die gestrichelte Linie 78 zu sehen ist. Die gestrichelten Linien 80 und 82 zeigen ebenfalls die Spannungsbedingungen über einer parasitären Kapazität, wenn die Datenimpulse sich im unteren Pegel befinden, d. h. wenn die ent-

sprechenden Transistoren keinen Entladungsweg für die schädliche Kapazität ermöglichen. Die verschiedenen Abfälle der Kurven 80 und 82 ergeben sich aus der Verschiedenheit der anliegenden Referenzspannung V_REF, und zwar entspricht die Kurve 82 ei-

»° ner größeren positiven Referenzspannung V_REF als die Kurve 80. Im vorliegenden Beispiel ist der Zellentransistor effektiver gesperrt, wenn der Emitter mehl positiv vorgespannt ist, wodurch über die Basis-Emitterdiode des Transistors eine Verringerung der Entla-

dung erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

2 ΠΙ Patentansprüche:

1. Dynamisches Schieberegister mit Speicherstufen aus bipolaren Transistoren, unter Ausnutzung von vorhandenen Kapazitäten zur Zwischenspeicherung, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherstufen (10) aus einer ersten Speicherzelle (12) und einer zweiten Speicherzelle (14) besteben, wobei sowohl die erste als auch die zweite Speicherzelle (12 bzw. 14) aus einer Reihenschaltung eines Transistors (34) und einer im Kollektorkreis liegenden Diode (20) und einer parasitären Kapazität (24) zwischen dem Kollektor (22) des genannten bipolaren Transistors (34; und Masse besteht.

2. Dynamisches Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Balis des Transistors (34) die Dateneingangsimpulse (28) aniiegen und am Emitter über einen Anfchlußpunkt (30) die Torimpulse anliegen, währenddem über die Diode (20), die m«t einem Anschlußpunkt (16) in Verbindung steht, der Speicherzelle (12) Rfcgenerationsimpulse (18) ium Laden der parasitären Kapazität (24) zugeführt werden, und daß de: Ausgang (36) der Speicherzelle (12) sowohl mit dem Kollektor (22) des Transistors (34), mit einer Elektrode der Diode (20) als auch mit der parasitären Kapazität (24) verbund, η ist.

3. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 und 2, daduuh gekennzeichnet, daß der Kollektor des Tt ansistors (34) der ersten Zelle (12) mit der Basis des Iransistors der zweiten Zelle (14) verbunden ist.

4. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Zellen (12 und 14) einer Stufe (10) über getrennte Anschlüsse (64) und 66) Regenerationsimpulse und über weitere getrennte Anschlüsse (68 und 7C) die Torimpulse bzw. Schiebeimpulse (32 bzw. 48) zugeführt werden.

5. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Ausgang (40) einer Stufe (10) mit dem Eingang (26) der nächsten Stufe (10) direkt verbunden ist und daß alle ersten Zellen (12) sowohl mit Tor- bzw. Schiebeimpulsen als auch mit Regenerationsimpulsen über gemeinsame Anschlußpunkte (68 bzw. 64) gespeist werden und daß die tweiten Zellen (14) der Stufen (10) ebenfalls über gemeinsame Anschlußpunkte (66 bzw. 70) mit Tor- bzw. Schiebeimpulsen und Regenerations-Impulsen gespeist werden.

6. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (34) einer Zelle (12 oder 14) vom PNP-Typ oder vom NPN-Typ sind.